系统架构设计师 2

第二章 计算机系统基础知识

2.1 计算机系统概述

计算机系统（Computer System）是指用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统。
分为硬件（子系统）和软件（子系统）两部分。
硬件：由机械、电子元器件、磁介质和光介质等物理实体构成，
软件：由一系列按照特定顺序组织的数据和指令，并控制硬件完成指定的功能。

2.2 计算机硬件

2.2.1 计算机硬件组成

计算机组成结构(ComputerArchitecture)源于冯·诺依计算机结构，该结构成为现代计算机系统发展的基础。
冯·诺依计算机结构将计算机硬件划分为5部分，处理器、存储器、总线、接口和外部设备。

2.2.2 处理器

处理器的指令集按照其复杂程度可分为复杂指令集(ComplexInstuctionSetComputers,CISC)与精简指令集(ReducedInstruction SetComputers，RISC)两类。
CISC 以 Intel、AMD 的 x86CPU 为代表，RISC 以 ARM 和 Power 为代表。RISC 已经成为趋势。

2.2.3 存储器

存储器是利用半导体、磁、光等介质制成用于存储数据的电子设备。按硬件结构可分为 SRAM、DRAM、NVRAM、Flash、EPROM、Disk等。
按与处理器的物理距离可分为4个层次：

(1)片上缓存:在处理器核心中直接集成的缓存，一般为 SRAM 结构，实现数据的快速读取（16kB ~ 512kB），分为一级或二级。

(2)片外缓存:在处理器核心外的缓存，需要经过交换互联开关访问，一般也是由 SRAM 构成（256kB~4MB），按照层级被称L2Cache或L3Cache，或者称为平台Cache（Platform Cache）。

(3)主存(内存):通常采用 DRAM 结构，以独立的部件/芯片存在，通过总线与处理器连接。DRAM 依赖不断充电维持其中的数据，容在数百 MB至数十GB之间。

(4)外存:可以是磁带、磁盘、光盘和各类Flash等介质器件，这类设备访问速度设，但容盘大，且在掉电后能够保持其数据。不同的介质类型容有所不同，如NorFlash容量一般在MB级别，磁盘容量则在GB和TB级别。外存能够在掉电后保持数据，但并非所有介质都能够永久性保存数据，每种介质都有一定的年限，如Flash外存的维持数据的年限在10年左右，光盘年限在数年至数十年，磁盘年限在10年以上，磁带年限为 30年以上。

2.2.4 总线

总线(Bus) 是指计算机部件间进循某一特定协议实现数据交换的形式，即以一种特定格式按照规定的控制逻辑实现部件间的数据传输。

按照总线在计算机中所处的位置划分为内总线、系统总线和外部总线。
其中内总线用于各类芯片内部互连，也可称为片上总线( On-ChipBus )或片内总线。
系统总线是指计算机中 CPU、主存、I/O 接口的总线，
总线的性能指标常见的有总线带宽、总线服务质量 QoS、总线时延和总线抖动等。
并行总线主要包括 PCI、PCIe 和 ATA(IDE) 等，
串行总线主要包括 USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485、RapidIO 和以太网等。
在一些专业领域中还定义了多种类型的总线，比如航空领域的ARINC429、ARINC659、ARINC664 和 MIL-STD-1553B 等:工业控制领域的 CAN、IEEE1394、PCI、PCIe 和 VME 等。

2.2.5 接口

接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则。
显示类接口( HDMI、DVI 和 VGA 等)，
音频输入输出类接口( TRS、RCA、XLR 等)，
网络类接口( RJ45、FC 等)，PS2 接口，USB 接口，SATA 接口，LPT 打印接口和 RS-232 接口等。

2.2.6 外部设备

常见的外部设备包括键盘、鼠标、显示器、扫描仪、摄像头、克风、打印机、光驱、各型网卡和各型存储卡/盘等。
在移动和穿戴设备中，常见的包括加速计、GPS、陀螺仪、您光设备和指纹识别设备等。
在工业控制、航空航天和医疗等领域，还存在更多种类的外部设备，例如测温仪、测速仪、轨迹球、各型操作面板、红外NFC等感应设备、各种场强测量设备、功率驱动装置、各型机械臂、各型液压装置、油门杆和驾驶杆，等等。

2.3 计算机软件

2.3.1 计算机软件概述

软件系统是指在计算机硬件系统上运行的程序、相关的文档资料和数据的集合。
系统软件是为整个计算机系统配置的不依赖特定应用领域的通用软件。根据功能不同分为：操作系统、程序设计语言系统、数据库管理系统和网络软件等。

2.3.2 操作系统

操作系统是计算机系统的资源管理者，对硬件设备进行了抽象，为应用软件提供了一套简洁、统一的接口（称为系统调用接口或应用程序接口 API ）。
操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，向下管理裸机及其中文件，向上为其他的系统软件（汇编软件、编译程序、数据库系统等）和大量应用软件提供支持，以及为用户提供方便使用系统的接口。
操作系统是一种大型的、复杂的软件产品，通常由操作系统内核（ Kernel ）和其他许多附加的配套软件所组成。

操作系统的作用

三个方面的作用：

• 管理计算机中运行的程序和分配各种硬件资源。
• 为用户提供友善的人机界面。
• 为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台。
  操作系统还具有辅导用户操作（帮助功能）、处理软硬件错误、监控系统性能、保护系统安全灯许多作用。

操作系统的特征

• 并发性： 每一个时刻只有一个程序在执行。
• 共享性： 操作系统中的资源（硬件资源和信息资源）可以被多个并发执行的进程（线程）共同使用，共享资源方式有同时共享和互斥共享。
• 虚拟性： 把物理上的一个实体变成逻辑多个对应物，又或多个实体变成逻辑上一个对应物。
• 不确定性： 由于资源限制，进程会被暂停执行。

操作系统的分类

• 批处理操作系统： 单批处理，一次只有一个作业装入内存执行；多批处理，多个作业装入内存执行，任意时刻，作业都处于开始点和终止点。特点 ： 多道、宏观上并行运行和微观上串行运行。
• 分时操作系统： 将时间划分为很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务。特点 ：多路性、独立性、交互性和及时性。
• 实时操作系统 ：交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。如机票订票系统。
• 网络操作系统 ：有效管理网络中共享资源。如通信服务、打印机服务等。
• 分布式操作系统 ：多个分散的计算机经连接而成的计算机系统。整合计算机资源为用户提供统一的界面和标准的接口。
• 微型计算机操作系统 ： windows 、Mac OS、 Linux 。
• 嵌入式操作系统 ： 运行在嵌入式智能设备环境中，对整个智能硬件以及软件所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制，其主要特点如下。
• • 微型化 ：从性能和成本角度考虑，希望占用的资源和系统代码少，如内存少、字长短、运行速度有限、能源少(用微小型电池)。
• 可定制 ：从减少成本和缩短研发周期考虑，要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理器平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用需要。
• 实时性 ：嵌入式操作系统主要应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及关键要害领域需要迅速响应的场合，所以对实时性要求较高。
• 可靠性 ：系统构件、模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施。
• 易移植性 ：为了提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层( Hardware Abstraction Level ，HAL )和板级支撑包( Board Support Package，BSP )的底层设计技术。常见的嵌入式实时操作系统有 VxWorks、uClinux、PalmOS、WindowsCE、μC/OS-Ⅱ 和 eCos 等。

2.3.3 数据库

早期数据库分别是：层次型数据库、网络式数据库和关系型数据库。
根据数据库存储体系，分为：

• 关系型数据库 ： 复杂的数据结构归结为简单的二元关系。
• 键值数据库 ：非关系型，简单的键值方法存储，键值为唯一的标识符。
• 列存储数据库 ：
• 文档数据库 ： XML 、JSON 、BSON 等，文档具有可述性（ Self-Describing ）。
• 搜索引擎数据库 ： 如百度。

关系型数据库设计的基本步骤：
需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、应用程序设计和运行维护。

分布式数据库体系将结构：

常见的数据库管理系统：

1. Oracle
2. IBM DB2
3. Sybase
4. Microsoft SQL Sever

大型数据库管理系统的特点

大型数据库管理系统主要有如下7个特点。

(1)基于网络环境的数据库管理系统。可以用于C/S结构的数据库应用系统，也可以用于B/S 结构的数据库应用系统。

(2)支持大规模的应用。可支持数千个并发用户、多达上百万的事务处理和超过数百GB的数据容量。

(3)提供的自动锁功能使得并发用户可以安全而高效地访问数据。
(4)可以保证系统的高度安全性。

(5)提供方便而灵活的数据备份和恢复方法及设备镜像功能，还可以利用操作系统提供容错功能，确保设计良好的应用中的数据在发生意外的情况下可以最大限度地被恢。(6)提供多种维护数据完整性的手段。

(7)提供了方便易用的分布式处理功能。

2.3.4 文件系统

文件( File ) 是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合，例如，个源程序、一个目标程序、编译程序、一批待加工的数据和各种文档等都可以各自组成一个文件。

(1)按文件的性质和用途分类可将文件分为系统文件、库文件和用户文件。
(2)按信息保存期限分类可将文件分为临时文件、档案文件和永久文件。
(3)按文件的保护方式分类可将文件分为只读文件、读/写文件、可执行文件和不保护文件 。
(4) UNIX 系统将文件分为普通文件、目录文件和设备文件(特殊文件) 。

文件的物理结构

• 连续结构
• 链接结构
• 索引结构
• 多个物理块的索引表：链接文件和多重索引方式。

文件存取的方法和存储空间的管理

文件存取方式有顺序存取和随即存取。
常用的空闲空间管理方法有空闲表、位示图和空闲块链；

文件共享与保护

文件的共享：

• 硬链接
• 符号链接
  文件的保护：
• 存取控制矩阵： RWX
• 存取控制表
• 用户权限表
• 密码

2.3.5 网络协议

常用的网络协议有：局域网协议（LAN）、广域网协议（WAN）、无线网协议和移动网协议。互联网使用的是 TCP/IP 协议簇。

2.3.6 中间件

中间件（ Middleware ）软件是应用软件与各种操作系统之间使用的标准化编程接口和协议，旨在减少开发成本，承上启下，使应用软件开发相对独立于计算机硬件和操作系统，并能在不同的系统上运行，实现相同的功能。

中间件分类

• 通信处理（消息）中间件 ：主要产品有 BEA 的 eLink 、IBM 的 MQSeries 、 TongLINK等。
• 事务处理（交易）中间件
• 数据存取管理中间件
• Web 服务器中间件
• 安全中间件
• 跨平台和架构的中间件 ：CORBA 、JavaBeans 、 COM+ 等。
• 专用平台中间件
• 网络中间件

2.3.7 软件构件

构件又称为组件，是一个自包容、可复用的程序集。

2.3.8 应用软件

2.4 嵌入式系统及软件

嵌入式系统（ Embedded System ）是为了特定应用而专门构建且将信息处理过程和物理过程紧密结合为一体的专用计算机系统。

2.4.1 嵌入式系统的组成及特点

2.4.2 嵌入式系统的分类

2.4.3 嵌入式系统的组成和特点

嵌入式系统的特点：
可剪裁性、可配置性、强实时性、安全性、可靠性、高确定性。

嵌入式开发步骤

(1)嵌入式软件开发是在宿主机( PC 机或工作站)上使用专门的嵌入式工具开发，生成二进制代码后，需要使用工具卸载到目标机或固化在目标机储存器上运行。

(2)嵌入式软件开发时更强调软/硬件协同工作的效率和稳定性。

(3)嵌入式软件开发的结果通常需要固化在目标系统的储存器或处理器内部储存器资源中。

(4)嵌入式软件的开发一般需要专门的开发工具、目标系统和测试设备。

(5)嵌入式软件对实时性的要求更高。

(6)嵌入式软件对安全性和可靠性的要求较高

(7)嵌入式软件开发是要充分考虑代码规模。

(8)在安全攸关系统中的嵌入式软件，其开发还应满足某些领域对设计和代码审定。
(9)模块化设计即将一个较大的程序按功能划分成若干程序模块，每个模块实现特定的功能。

2.4.4 安全攸关软件的安全性设计

2.5 计算机网络

2.5.1 计算机网络的概念

计算机网络技术主要涵盖 通信技术、网络技术、组网技术和网络工程等四个方面。

计算机网络的功能

• 数据通信
• 资源共享
• 管理集中化
• 实现分布式管理
• 负荷均衡

网络有关指标

1）性能指标
速率 ：主机与目标机在数字通道上传送数据的速率（ Data Rate ）或比特率（ Bit Rate），单位 b/s（比特每秒）。
带宽 ：有两种含义：
一个信号具有的频带宽度。即信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。
网络的通信线路传送数据的能力。
吞吐量 ：单位时间通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
时延 ：指数据（一个文件、分组甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
往返时间（ RTT ） ：发送方发送数据开始到发送方收到接收方的确认总共经历的时间。
利用率
2）非性能指标
费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性、易管理性和可维护性等。

2.5.2 通信技术

计算机网络是利用通信技术将数据从一个结点传送到另一结点的过程。
信道分为逻辑信道和物理信道。

2.5.3 网络技术

局域网

1）网络拓补


2）以太网技术

以太网（ Ethernet ）是一种计算机局域网组网技术。
DMAC 代表目的终端的 MAC 地址，
SMAC 代表源 MAC 地址，
Length/Type 字段长度是 2 字节，若 >1500，代表该数据帧的类型；若 <1500，则代表数据帧的长度。
DATA/PAD 代表具体数据，大小 >= 64字节。
FCS 是帧校验字段，判断该数据帧是否出错。
（2）最小帧长 ，由于 CSMA/CD 算法限制，以太网帧最小长度为 64 字节，如果不足，高层协议必须进行填充。
（3）最大传输距离。
（4）流量控制。

无线局域网（ WLAN ）

室外无线网结构有：点对点、点对多、多点对点和混合型。
WLAN 拓补结构 ：
点对点型 ：通过单频或扩频微波电台、红外发光二极管、红外激光等，连接两个固定的有线 LAN 网段。
HUB 型 ：一个中心结点（ HUB ）和若干外围节点组成。
全分布型 ：目前无具体应用。

组网技术

网络设备：集线器、中继器、网桥、交换机、路由器、防火墙。

网络协议

表 2-6 ISO/OSI 模型与 TCP/IP 模型的对比

ISO/OSI 模型	TCP/IP 协议					TCP/IP 模型
应用层	文件传输协议 FTP	远程登录协议 Telnet	电子邮件协议 SMTP	网络文件服务协议 NFS	网络管理协议 SNMP	应用层
表示层
会话层
传输层	TCP		UDP			传输层
网络层	IP		ICMP		ARP RARP	网际层
数据链路层	Enternet IEEE 802.3	FDDI	Token-Ring/IEEE 802.3 硬件层		ARCnet	PPP/SLIP	网络接口层
物理层							硬件层

交换技术

交换机功能：集线、中继、桥接和隔离冲突域功能。

基本交换与原理

• 转发路径学习
• 数据转发
• 数据泛洪
• 链路地址更新

路由技术

应用或业务数据在网络中的传输，是依照网络路由机制来进行的。
路由功能由路由器( Router )来提供，
具体包括:
(1)异种网络互连，比如具有异种子网协议的网络互连;
(2)子网协议转换，不同子网间包括局域网和广域网之间的协议转换;
(3)数据路由，即将数据从一个网络依据路由规则转发到另一个网络:
(4)速率适配，利用缓存和流控协议进行适配:
(5)隔离网络，防止广播风暴，实现防火墙:
(6)报文分片和重组，超过接口的 MTU 报文被分片，到达目的地之后的报文被重组:
(7)备份、流量控制，如主备线路的切换和复杂流量控制等。

2.5.5 网络工程

网络建设是一个复杂的系统工程，是对计算机网络、信息系统建设和项目管理等领域知识进行综合利用的过程。

2.6 计算机语言

2.6.1 计算机语言的组成

计算机语言主要由：
表达式：变量、常量、字面量和运算符；
流程控制：分支、循环、函数和异常；
集合：字符串、数组、散列表等数据结构。

2.6.2 计算机语言的分类

1.机器语言

• 机器语言的指令格式：操作码，操作数的地址，操作结果的存储地址，下一条指令的地址。一条指令实际包括两种信息，即操作码和地址码。
• 常见的指令格式有：三地址指令，二地址指令，单地址指令，零地址指令，可变地址指令。

2.汇编语言

汇编语言的语句格式

• 1）指令语句：传送、算术运算、逻辑运算、移位、转移和处理控制等类型。基本的指令有 ADD、SUB 和 AND 等。
• 2）伪指令语句：伪指令语句指示汇编程序在汇编源程序时完成某些工作，经汇编后不产生机器代码。
• 3）宏指令语句：允许用户多次重复使用的程序段定义为宏。

指令语句和伪指令语句格式

每条语句均由：名字、操作符、操作数和注释组成。

3.高级语言

C C++ JAVA Python

4.建模语言

UML 是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。

UML 组成要素

UML的组成要素	属性
事物	结构事物				行为事物			分组事物	注释事物
	类 Class	接口 Interface	协作 Coolaboration	用例 Use Case	交互 Interaction	状态机 State Machine	活动 Activity
	主动类 Active Class	构件 Component	制品 Artifact	结点 Node
关系	依赖			关联		泛化		实现
图	用例视图	逻辑视图			进程视图			实现视图	部署视图
	用例视图	类图	对象图	状态图	状态图	顺序图	合作图	构件图	配置图
		顺序图	合作图	活动图	活动图	构件图	配置图

5.形式化语言

形式化方法是把概念、判断、推理转化成特定的形式符号后，对形式符号表达系统进行研究的方法，是用具有精确语义的形式语言书写的程序功能描述，它是设计和编制程序的出发点，也是验证程序是否正确的依据。

形式化方法的开发过程

按照软件工程“自顶向下、逐步求精”的原则，软件生命周期可分为可行性分析、需求分析、体系结构设计、详细设计、编码和测试发布6个阶段，形式化方法贯穿软件工程整个生命周期。

2.7 多媒体

2.7.1 多媒体概述

多媒体是承载信息的载体，按 ITU-T定义，分为感觉媒体、表示媒体、显示媒体、存储媒体和传输媒体。

2.8 系统工程

系统工程是一种组织管理技术。

2.8.1 系统工程概述

系统是一组综合的元素、子系统或组件，用以完成一个确定的目标。

2.8.2 系统工程方法

系统工程方法的特点是整体性、综合性、协调性、科学性和实践性。
霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、优化、程序化和标准化等特点，是系统工程方法论的重要基础内容。
霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的7个阶段和7个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所要的各种专业知识和技能。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维组成的三维空间结构。
时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新7个时间阶段。
逻辑维是指时间维的每个阶段内所要进行的工作内容和应该避循的思维程序，包括明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施7个逻辑步骤。
知识维需要运用包括工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等各种知识和技能。
三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任意一个阶段和步骤又可进一步展开，形成了分层次的树状体系。

切克兰德方法七步骤：
认识问题、根底定义、建立概念模型、比较及探寻、选择、设计与实施、评估与反馈。

并行工程强调
(1)在产品的设计开发期间，将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来，保证以最快的速度按要求的质量完成。
(2)各项工作由与此相关的项目小组完成。进程中小组成员各自安排自身的工作，但可以随时或定期反馈信息，并对出现的问题协调解决。
(3)依据适当的信息系统工具，反馈与协调整个项目的进行。利用现代 CIM 技术，在产品的研制与开发期间，辅助项目进程的并行化。

人理可以细分为 关系、感情、习惯、知识、利益、斗争、和解、和谐和管理等。

2.8.3 系统工程的生命周期

适用于系统工程的敏捷原则如下:
最高的优先级是通过尽早地和持续地交付有价值的软件来满足客户欢迎需求变更，即使是在项目开发后期。敏捷流程利用需求变更帮助客户获得竞争优势。
不断交付可用的软件，周期从几周到几个月不等，且越短越好，在项目中业务人员与开发人员每天在一起工作，业务人员始终参与到开发工作中在开发团队内部和团队之间，传递信息最有效的方法是面对面交谈。
工作软件是进展的主要度量。
对技术的精益求精以及对设计的不断完善将提升敏捷性。
简单性(尽最大可能减少不必要的工作的艺术)是精髓。
最佳的架构、需求和设计出自于自组织的团队。
团队要定期反省如何能够做到更加高效，并相应地调整团队的行为。

2.8.4 基于模型的系统工程

系统工程过程的三个阶段分别产生三种图形:在需求分析阶段，产生需求图、用例图及食在功能分析与分配阶段，产生顺序图、活动图及状态机(StateMachine)图;在设计综合图:阶段，产生模块定义图、内部块图及参数图等。
MBSE 的三大支柱分别是建模语言、建模工具和建模思路。

2.9 系统性能

系统性能是一个系统提供给用户的所有性能指标的集合。

2.9.1 性能指标

评价计算机的主要性能指标有时钟频率(主频)、运算速度、运算精度、内存的存储容存储器的存取周期、数据处理速率( ProcessingDataRate，PDR)、吞吐率、各种响应时间、各种利用率、RASIS 特性(即可靠性( Reliability )、可用性( Availabiity )、可维护性( Serviceability )、完整性和安全性( Integrity and Security ))、平均故障响应时间、兼容性、可扩充性和性能价格比。

2.9.2 性能计算

性能指标计算的主要方法有定义法、公式法、程序检测法和仪器检测法。

2.9.3 性能设计

$$加速比=\frac{不使用增强部件时完成整个任务的时间}{使用增强部件时完成整个任务的时间}$$
$$新的执行时间=原来的执行时间\ast ((1-增强比例)+\frac{增强比例}{增强加速比})$$
$$总加速比=\frac{原来的执行时间}{新的执行时间}=\frac{1}{(1-增强比例)+\frac{增强比例}{增强加速比}}$$

2.9.4 性能评估

性能评估是为了一个目的，按照一定的步骤，选用一定的度量项目，通过建模和实验，对一个系统的性能进行各项检测，对测试结果做出解释，并形成一份文档的技术。性能评估的一个目的是为性能的优化提供参考。